尼泊爾TNH水電站調壓室優化設計

祖 威

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

2023年是“一帶一路”倡議提出十周年,尼泊爾和中國政府于2017年簽署了“一帶一路”合作備忘錄。如今,在“一帶一路”倡議框架下,中尼兩國合作共建的基礎設施項目已初具規模,尼泊爾TNH水電站是“一帶一路”倡議的典型基礎設施項目之一。

尼泊爾TNH水電站位于加德滿都-博卡拉的國家公路南側,緊鄰達茂里市;距加德滿都150 km,距博卡拉50 km。項目位于Seti河下游,開發任務為調峰發電。

尼泊爾TNH水電站樞紐建筑物主要由混凝土重力壩、引水隧洞、調壓室、地下廠房等組成。電站采用引水式開發,裝機容量146.4 MW,安裝2臺立軸混流式水輪發電機組;壩后生態電站裝機容量1.79 MW,安裝1臺臥軸混流式水輪發電機組。電站正常蓄水位為415.00 m,死水位為378.00 m,機組安裝高程為277.00 m,正常運行尾水位為289.64 m。

調壓室作為長引水系統的主要水工建筑物,可以有效減小壓力水管中的水擊壓力,從而改善機組的運行條件[1]。對招標文件調壓室設計方案進行復核,為降低施工難度和節約工程投資,開展了調壓室設計調整和優化研究工作。

1 調壓室概況

根據招標文件,TNH水電站調壓室位于引水隧洞末端,為埋藏阻抗式調壓室,頂拱埋深約231 m,圍巖為微新的薄～中厚層板巖,巖性中硬,以Ⅲ類巖體為主,Ⅳ類巖體次之,少量Ⅴ類巖體,總體具備成洞條件。

招標階段,調壓室穹頂高程437.4 m,井筒底板基礎高程362.40 m,井筒高75 m;井底板阻抗孔直徑5.0m,隧洞與井筒之間通過阻抗井相連,高度23 m,招標階段調壓室剖面見圖1(圖中高程單位和尺寸單位以m計)。調壓井井筒過水斷面為圓形,直徑28 m,C25混凝土襯厚1.0 m;阻抗井內徑7.4 m,襯厚0.5 m。調壓室穹頂開挖跨度35 m,高度12.5 m,系統錨桿C32,長6.0 m,間排距2 m,掛網噴混凝土厚15 cm;井筒開挖直徑30 m,錨桿C25,長3.0 m,間排距1.5 m,掛網噴混凝土厚10 cm;阻抗孔開挖直徑8.4 m,錨桿C25,長2.0 m,間排距1.2 m,掛網噴混凝土厚10 cm。

圖1 招標階段調壓室剖面圖

2 設計優化思路

(1)減小調壓室穹頂開挖跨度。招標階段,TNH水電站調壓室穹頂開挖跨度達35 m,規模較大,較一般地下廠房洞室跨度大,施工安全風險較大。為降低穹頂施工難度,有必要對調壓室穹頂開挖尺寸進行優化調整設計。

(2)穹頂鋼筋混凝土襯砌調整為噴錨支護。鑒于調壓室穹頂開挖尺寸較大,混凝土襯砌施工困難,建議將鋼筋混凝土襯砌調整為噴錨支護襯砌,適當調整調壓室穹頂支護參數,并采用有限元法對開挖支護參數進行計算驗證工作。

(3)調壓室井筒內徑為28 m,襯砌厚度為1.0 m。建議根據調壓室井筒承受內水壓力大小,進一步優化調壓室井筒襯砌厚度,以節省工程量。

3 優化調整設計方案

(1)優化設計方案。考慮到調壓室穹頂最大開挖跨度35 m,穹頂開挖和混凝土襯砌施工難度較大。施工詳圖設計階段,對調壓室穹頂進行重新設計,取消調壓室穹頂混凝土襯砌,調整為噴錨支護作為永久支護。穹頂開挖跨度從35.0 m調整到33.3 m,穹頂支護參數從“厚度1.0 m鋼筋混凝土襯砌+噴錨支護”調整為噴錨支護作為永久支護措施。

優化調整后調壓室布置為:調壓室井筒穹頂高程436.55 m,井筒底板基礎高程在362.40 m,井筒高74.15 m;井底板阻抗孔直徑5.0 m,隧洞與井筒之間通過阻抗井相連,高度21 m。調壓井井筒過水斷面為圓形,直徑28 m,高程在403.90～425.90 m之間,混凝土C25襯厚0.6 m;高程在383.90～403.90 m之間,混凝土C25襯厚0.8 m;高程在362.40～383.90 m之間,混凝土C25襯厚1.0 m。阻抗孔內徑7.4 m,襯厚0.5 m,施工詳圖階段調壓室剖面圖見圖2(圖中高程單位和尺寸單位以m計,樁號單位以km+m計)。

圖2 施工詳圖階段調壓室剖面圖

調壓室支護參數為:調壓室穹頂開挖跨度33.3 m,高度10.65 m,系統錨桿C32,長8.0 m,間排距2 m,預應力錨索(DCP)φ47,長16.0 m,間排距2.0 m,噴鋼纖維混凝土厚15 cm;井筒開挖直徑29.20～30 .00 m,錨桿C32,長8.0 m,間排距1.5 m,噴鋼纖維混凝土厚10 cm;阻抗孔開挖直徑8.4 m,錨桿C25,長5.0 m,間排距1.5 m,噴鋼纖維混凝土厚10 cm。

(2) 水力學復核。根據招標階段合同要求,原報告中調壓室最高涌浪控制工況為:水庫正常蓄水位415.00 m,考慮一次偶發事件或設備故障的工況,丟棄全部荷載,每臺機組Q=126 m3/s減少為0,最高涌浪高程取值為423.90 m,最低涌浪高程取值為366.40 m。

施工詳圖階段,根據最新優化調整設計方案進行機組過渡過程計算。根據東芝公司提供的《Turbine hydraulic transient calculation report》[2]TNH水電站機組過渡過程計算成果,在水庫正常蓄水位415.00 m時,下游尾水水位為289.64 m時,考慮一次偶發事件或設備故障的工況,丟棄全部荷載,每臺機組Q=130 m3/s減少為0,計算最高涌浪高程取值為422.95 m,最低涌浪高程取值為400.47 m。

根據招標合同要求,水力學計算成果除非特殊情況,不允許進行調整。因此,施工詳圖階段,根據機組過渡過程計算成果及招標階段設計成果,最高涌浪和最低涌浪高程取值與招標文件一致,即最高涌浪高程取值為423.90 m,最低涌浪高程取值為366.40 m。

(3)調壓室開挖支護有限元計算成果。根據優化調整后調壓室設計圖紙,利用FLAC 3D軟件建立調壓室開挖支護模型,模擬開挖步驟并采用有限元數值計算[3],其計算成果用以驗證調壓室洞室開挖穩定性,評價支護參數合理性[4]。

1)變形。調壓室開挖后變形方向為向洞內。頂拱和豎井開挖變形增量均較小,最大位移為86.1 mm,最大位移發生在井筒中下部。

2)塑性區。根據洞室開挖后塑性區分布可知,頂拱部位塑性區深度大部分小于7 m,在系統錨桿錨固范圍內,并且絕大部分塑性區深度未超過預應力錨索(DCP)錨固范圍。豎井部位塑性區深度均小于5 m,未超過系統錨桿長度。

3)錨桿應力。大部分巖體,系統錨桿和預應力錨索(DCP)軸力均處于彈性狀態;部分受節理發育影響巖體,系統錨桿和預應力錨索(DCP)軸力雖有所增加,但仍未超過設計值,處于彈性狀態內。

經計算分析,調壓室支護設計參數滿足美標規范[5]和中國規范的相關要求[6]。計算結果得到咨詢工程師審批通過。

4 結 語

筆者以尼泊爾TNH水電站為例,對調壓室布置優化調整進行了研究分析,并提出調整布置和優化設計方案。經進一步水力學復核、穩定分析成果驗證分析,優化設計的調壓室布置滿足設計要求。經優化設計后,降低了調壓室頂拱施工難度,減少了工程投資,技術可行、經濟合理。